一種制氫系統及其方法與流程

本發明涉及制氫領域，特別是涉及一種制氫系統及其方法。

背景技術：

當今化石能源供應形勢日益嚴峻，化石能源利用迫使生態環境不斷遭到破壞，開發和利用可再生能源成為我國實現能源可持續發展的必由之路。太陽能資源清潔、無污染且儲量大，但是具有分散性、不穩定性、不連續性等特點。將太陽能轉化為化學能源可以解決太陽能存儲、運輸、受空間限制等難題。

氫能作為一種潔凈能源，被認為是最理想的化石能源與可再生能源的連接橋梁。開發高效、低成本的太陽能制氫技術成為國際上的研究熱點。太陽能熱化學制氫是利用太陽能聚焦技術獲得熱能和高溫用于制氫反應，其能量轉化效率高，技術手段較為成熟，有廣闊的工業應用前景

目前利用太陽能進行熱化學制氫的方法主要有以下幾種：

(1)直接利用太陽能高溫分解水制氫，反應操作溫度在2000℃左右。該方法由于分解后的高溫氣體產物有接觸爆炸的危險，并且高溫氣體產物難于分離。

(2)太陽能熱化學分解水制氫，反應操作溫度一般在1000℃以上，該方法可以有效地解決上述問題，出現了幾十種循環制氫方法，其中，有名的有fe2o3循環、s/i循環、ut-3循環、fe/cl/o/h循環、mark循環、太陽能分解金屬氧化物循環等。

(3)太陽能甲烷重整制氫，甲烷水蒸氣重整所需要900℃的熱量由塔式太陽能聚光裝置提供。

(4)太陽能化石燃料/氣化制氫的操作溫度也在1000℃左右，太陽能為煤等化石燃料氣化反應提供能量，制成的合成氣需要進行精華、提純工藝。

以上四種制氫方法均采用高溫太陽能制氫，操作溫度非常高，當大規模推廣時需要使用耐高溫流體介質進行熱量傳輸。當前，大規模太陽能制氫的流體介質一般選擇熔融鹽。但是由于熔融鹽的工作溫度一般小于800℃，而高溫太陽能制氫的操作溫度一般在1000℃以上，二者之間存在溫度的不匹配問題，熔融鹽長時間工作在超高溫下，會發生分解，影響熔融鹽的性能，甚至影響系統的安全性。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的是提供一種制氫系統及其方法，解決了現有技術中利用熔融鹽作為導熱介質所引發的效率低和穩定性差的問題。

(二)技術方案

為了解決上述技術問題，本發明提供一種制氫系統，其特征在于，包括：

集熱機構，所述集熱機構包括集熱器和液態金屬管道，所述液態金屬管道與所述集熱器相連，所述集熱器用于吸收熱量，所述液態金屬管道內填充有液態金屬；

制氫機構；

換熱器，所述換熱器分別與所述制氫機構和液態金屬管道連接。

其中，所述集熱機構還包括液態金屬泵和液態金屬儲液罐，所述液態金屬泵和液態金屬儲液罐均設于所述液態金屬管道；

所述制氫機構包括反應器，所述反應器能夠通過所述換熱器與所述液態金屬管道換熱。

其中，還包括儲氣罐，所述制氫機構還包括金屬儲存罐和儲氫罐，所述金屬儲存罐的一端、儲氣罐和反應器均與所述換熱器的第一換熱管連接，所述金屬儲存罐的另一端通過所述反應器與所述儲氫罐連接，所述液態金屬管道與所述換熱器的第二換熱管連接。

其中，所述換熱器還設有甲烷入口。

其中，還包括液態金屬分離器，所述換熱器為混合接觸式換熱器，所述液態金屬分離器設于所述換熱器處。

其中，所述液態金屬為鎵基合金、銦基合金、錫基合金、鉍基合金、銅基合金、鋰合金、鎘-鉍合金、錫-鉍合金、鉍-鋅合金、鈣-銅合金、鉛鉍合金中的至少一種。

本發明還公開一種制氫方法，其特征在于，包括：

集熱器收集熱量傳遞給液態金屬管道的液態金屬；

液態金屬通入換熱器，給制氫機構提供反應所需的熱量，制氫機構獲得熱量后制氫。

其中，所述給制氫機構提供反應所需的熱量，制氫機構獲得熱量后制氫為：在反應器中通入甲烷和水，與第二換熱管中的液態金屬換熱后產生氫氣和一氧化碳。

其中，所述給制氫機構提供反應所需的熱量，制氫機構獲得熱量后制氫為：反應器中通入水，第一換熱管中填充有金屬氧化物，與第二換熱管中的液態金屬換熱后，產生金屬和氧氣，氧氣由儲氣罐收集；

金屬通過金屬儲存罐與反應器中的水反應產生氫氣，并由儲氫罐收集，產生的金屬氧化物通入第一換熱管。

其中，所述給制氫機構提供反應所需的熱量，制氫機構獲得熱量后制氫為：反應器中通入水，第一換熱管中填充有金屬氧化物和甲烷，與第二換熱管中的液態金屬換熱后，產生金屬和燃料氣，燃料氣由儲氣罐收集；

金屬通過金屬儲存罐與反應器中的水反應產生氫氣，并由儲氫罐收集，產生的金屬氧化物通入第一換熱管。

(三)有益效果

本發明提供的一種制氫系統及其方法，用液態金屬作為耐高溫流體介質進行熱量傳輸，取代現有的熔融鹽。液態金屬具有較低的熔點和較高的沸點，能夠在較大的溫度范圍內保持液態，不會發生相變，傳熱穩定；液態金屬具有遠高于空氣，水等非金屬冷卻劑的熱導率，傳熱效率高；流動性好于熔融鹽；提高了制氫系統的效率和穩定性。

附圖說明

圖1為本發明實施例1的結構圖；

圖2為本發明實施例2的結構圖；

圖3為本發明實施例3的結構圖；

圖4為本發明實施例1的流程圖；

圖5為本發明實施例2的流程圖；

圖6為本發明實施例3的流程圖。

圖中，1、集熱機構；2、換熱器；3、制氫機構；11、集熱器；12、液態金屬管道；13、液態金屬儲液罐；14、分離器；15、液態金屬泵；16、金屬儲存罐；17、反應器；18、儲氫罐；19、儲氣罐；20、甲烷入口。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例，對本發明的具體實施方式作進一步詳細描述。以下實例用于說明本發明，但不用來限制本發明的范圍。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

本發明公開一種制氫系統，包括：集熱機構1，所述集熱機構1包括集熱器11和液態金屬管道12，所述液態金屬管道12與所述集熱器11相連，所述集熱器11用于吸收熱量；

制氫機構3；

換熱器2，所述換熱器2分別與所述制氫機構3和液態金屬管道12連接。

本發明還公開一種制氫方法，包括：

集熱器收集熱量傳遞給液態金屬管道的液態金屬；

液態金屬通入換熱器，給制氫機構提供反應所需的熱量。

本發明公開一種制氫系統及其方法，用液態金屬作為耐高溫流體介質進行熱量傳輸，取代現有的熔融鹽。具有以下有益效果：液態金屬具有較低的熔點和較高的沸點，能夠在較大的溫度范圍內保持液態，不會發生相變，傳熱穩定；液態金屬具有遠高于空氣，水等非金屬冷卻劑的熱導率，傳熱效率高；同時，液態金屬良好的導電能力，可以使用電磁泵驅動；液態金屬的流動性遠好于熔融鹽。將熔點低、沸點高、導熱性能優異的液態金屬作為太陽能制氫系統的傳熱介質有助于提高太陽能制氫系統效率和運行穩定性。

其中，所述液態金屬為鎵基合金、銦基合金、錫基合金、鉍基合金、銅基合金、鋰合金、鎘-鉍合金、錫-鉍合金、鉍-鋅合金、鈣-銅合金、鉛鉍合金中的至少一種。

其中，其中，還包括液態金屬分離器14，所述換熱器2為混合接觸式換熱器，所述液態金屬分離器14設于所述換熱器2處，所述液態金屬分離器用于分離液態金屬，防止液態金屬管道12通入金屬或金屬氧化物等雜質。也可以利用非接觸式的換熱器進行換熱。

實施例1：

如圖1和圖4所示，本實施例采用甲烷與水反應產生氫氣的方法。所述集熱機構1還包括液態金屬泵15和液態金屬儲液罐13，所述液態金屬泵15和液態金屬儲液罐13均設于所述液態金屬管道12，所述制氫機構3包括反應器17。

工作過程：集熱器收集熱量傳遞給液態金屬管道的液態金屬，利用液態金屬作為傳熱介質，液態金屬通入換熱器，在反應器中通入甲烷和水，與第二換熱管中的液態金屬換熱后產生氫氣和一氧化碳，后續還需要將氫氣和一氧化碳進行分離。

其中，采用槽式、碟式或塔式集熱系統，可獲得高達1000℃以上的溫度。所述的液態金屬管道內流動的工質為液態金屬，液態金屬管道的材質與液態金屬相兼容，在高溫下可以長時間穩定存在。所述的液態金屬儲液罐13用來儲存液態金屬，即使太陽光發生波動時，也能保持系統的穩定運行。液態金屬泵15為液態金屬流動提供動力，可以為電磁泵或離心泵。制氫機構3為甲烷水蒸氣重整反應制氫系統。反應器17為甲烷和水蒸氣發生重整反應的容器。

實施例2：

本實施例與實施例1基本相同，為了描述的簡要，在本實施例的描述過程中，不再描述與實施例1相同的技術特征，僅說明本實施例與實施例1不同之處：

如圖2和圖5所示，本實施例采用金屬與水發生反應產生氫氣的方法。其結構包括儲氣罐19，所述制氫機構3還包括金屬儲存罐16和儲氫罐18，所述金屬儲存罐16的一端、儲氣罐19和反應器17均與所述換熱器2的第一換熱管連接，所述金屬儲存罐16的另一端通過所述反應器17與所述儲氫罐18連接，所述液態金屬管道12與所述換熱器2的第二換熱管連接。

工作過程：集熱器收集熱量傳遞給液態金屬管道的液態金屬，利用液態金屬作為傳熱介質，液態金屬通入換熱器，將反應器中的甲烷和水替換成水，第一換熱管中填充有金屬氧化物，與第二換熱管中的液態金屬換熱后，產生金屬和氧氣，氧氣由儲氣罐收集；

金屬通過金屬儲存罐與反應器中的水反應產生氫氣，并由儲氫罐收集，產生的金屬氧化物通入第一換熱管。

具體的，金屬氧化物可以為氧化鋅、氧化錫、鐵基金屬氧化物、鈰基金屬氧化物、鈣鈦礦類復合金屬氧化物。金屬儲存罐16用來儲存金屬氧化物高溫分解后得到的金屬。

實施例3：

本實施例與實施例2基本相同，為了描述的簡要，在本實施例的描述過程中，不再描述與實施例2相同的技術特征，僅說明本實施例與實施例2不同之處：

如圖3和圖6所示，本實施例采用甲烷和金屬氧化物發生反應產生金屬和燃料氣，金屬在和水反應生成氫氣的方法。其結構為換熱器2還設有甲烷入口20。

工作方法：集熱器收集熱量傳遞給液態金屬管道的液態金屬，利用液態金屬作為傳熱介質，液態金屬通入換熱器，將反應器通入水，第一換熱管中填充有金屬氧化物和甲烷，與第二換熱管中的液態金屬換熱后，產生金屬和燃料氣，燃料氣由儲氣罐收集；

金屬通過金屬儲存罐與反應器中的水反應產生氫氣，并由儲氫罐收集，產生的金屬氧化物通入第一換熱管。

其中，燃料氣中也含有氫氣，可以將其與一氧化碳分離并收集氫氣。本實施例與實施例2相比，所需要的溫度更低，同時不產生氧氣，避免金屬再次氧化，影響后續反應。

本發明提供的一種制氫系統及其方法，用液態金屬作為耐高溫流體介質進行熱量傳輸，取代現有的熔融鹽。液態金屬具有較低的熔點和較高的沸點，能夠在較大的溫度范圍內保持液態，不會發生相變，傳熱穩定；液態金屬具有遠高于空氣，水等非金屬冷卻劑的熱導率，傳熱效率高；流動性好于熔融鹽；提高了制氫系統的效率和穩定性。

以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。